VJETROELEKTRANE

Željko ðurišić

2011.

TEME KOJE ĆE SE OBRAðIVATI U

OKVIRU KURSA

Pregled stanja u oblasti vjetroenergetike u Evropi i svijetu- Istorijat vjetroelektrana- Savremeni koncept elektromehaničke konverzije energije vjetra- Instalisani kapaciteti vjetroelektrana u Evropi i svetu- Pravci budućeg razvoja vjetroenergetike u Evropi i svetu

Energija vjetra- Geostrofski i površinski vjetrovi- Snaga vjetrai njena zavisnost od pritiska i temperature vazduha- Visinski profil brzine vjetra

- Turbulentnost vjetra

Mjerenje i analiza pokazatelja resursae energije vjetra- Mjerno-akviziciona oprema- Izbor i montaža mjerne opreme na merni stub- Statistička obrada mjernih podataka- Analiza dugoročnog potencijala vjetra na ciljnoj lokaciji- Procena ekstremnih brzina vjetra

Regionalna klimatologija vjetra- Modelovanje prepreka- Modelovanje hrapavosti terena- Modelovanje orografije terena- Matematički model za procjenu visinskog profila brzine vjetra baziran na metodi minimuma sume kvadrata odstupanja- Izrada regionalne mapa vjetroenergetskog potencijela- Atlas vjetrova Srbije

Vjetroturbine- Vjetroturbine sa vertikalnom osovinom- Vjetroturbine sa horizontalnom osovinom- Mehaničke karakteristike savremenih vjetroturbina velike snage- Sila, moment i snaga vjetroturbine- Idealna karakteristika snage vjetroturbine- Koncepti upravljanja snagom kod realnih vjetroturbina

Vjetroagregat- vjetroagregat sa IM sa kaveznim rotorom- vjetroagregat sa IM sa namotanim rotorom i promjenljivim otpronikom u rotorskom kolu.- vjetroagregat sa dvostrano napajanom indukcionom mašinom- vjetroagregat sa sinhronom mašinom

Energetski pretvarači kod vjetrogeneratora velikih snaga- Soft starter - Kompenzator reaktivne snage- Pretvarač za dinamičku kontrolu snage disipacije na eksternom otporniku u rotroskom kolu- Back-to-back PWM naponski invertor

Eksploatacione karakteristike vjetroagregata- Stepen iskorišćenja vjetroagregata- Kriva snage vjetroagregata- Uticaj meteoroloških faktora na efikasnost vjetroagregata- Mehanička naprezanja vitalnih elemenata vjetroagregata

Osnovi projektovanja vjetroelektrana- Izbor tipa vjetroagregata- Prostorni raspored vjetroagregata unutar vjetroelektrane- Efekat zavjetrine- Uslovi transporta i montaže opreme- Priključenje vjetroelektrane na EES- Gromobranska zaštita- Proračun godišnje proizvodnje vjetroelektrane

Integracija vjetroelektrana u elektroenergetski sistem- Modeli za predikciju proizvodnje vjetroelektrana- Balansiranje snage vjetroelektrane- Uticaj kvarova u mreži na rad vjetroelektrane- Rad vjetroelektrane u ekstremnim meteorološkim uslovima- Kvalitet električne energije koju proizvode vjetroelektrane

Ekonomičnost vjetroelektrana- Investicioni troškovi izgradnje vjetroelektrane- Eksploatacioni troškovi- Troškovi proizvodnje električne energije u vjetroelektranama- Uticaj sezonske i dnevne varijacije brzine vjetra na ekonomičnost vjetroelektrana u uslovima slobodnog tržišta

Negativni uticaji rada vjetroelektrana na okolinu- Uticaj na ptice - Buka pri radu vjetroelektrane- Treperenje sjenke vjetroturbine- Vizuelni uticaj- Uticaj na radiotelekomunikacione i relejne sisteme

Vjetroagragati u izolovanom sistemu

- Optimizacija snage vjetroagregata za napajanje izolovanog potrošača

- Hibridni sistemi sa vjetroagregatima

- vjetroagregati u sistemima za navodnjavanje

Pregled instalisanih proizvodnih kapaciteta električne energije u EU u periodu 2000 – 2010.

Wind energy will meet 50% of EU electricity in 2050???

Trend porasta instalisanih kapaciteta u vetroelektranama u Evropi

Prvi vjetroagregat u Srbiji, Leskova, Tutin

Svetski vjetroenergetski resursi(kopneni - onshorevjetrovi)

Resursi su izraženi u TWh/god ekvivalentneelektrične energije (ukupno 53000 TWh/god)

ISTORIJSKI RAZVOJ VJETROELEKTRANA

200 p.n.e

.

.

.1891.

Poul la Cour...

2009.

Enercon E126, 6 MW

Savremeni koncept elektromehaničke konverzije energije vjetra

Funkcionalni sklop modernog vjetroagregata

(Vestas V90, 3 MW)

GEOSTROFSKI VJETROVI

Geostrofski vjetrovi u idealizovanim uslovima

Sile koje uzrokuju geostrofskevjetrove:

•Gradijentna sila pritiska•Coriolisova sila•Gravitaciona sila

Osnovne karakteristike geostrofskihvjetrova:

•Duvaju na visinama iznad 2 km•Na njih ne utiče površina zemlje•Nisu od direktnog interesa za vjetroelektrane

Geostrofski vjetrovi za prosečan januar

Geostrofski vjetrovi u realnim uslovima

Geostrofski vjetrovi za prosečan jul

Satelitski snimak geostrofskih vjetrova u okolini centra ciklona lociranog na sjevernoj hemisferi

(A – Island) i južnoj hemisferi (B)

POVRŠINSKI VJETROVI

Osnovne karakteristike:

• Predstavljaju kretanje vazdušnih masa u prizemnom sloju atmosfere

• Posledica su formiranja centara niskog i visokog pritiska na mezonivou (10∼100 km) koje uzrokuje lokalna razlika u zagrijevanju tla

• Uticaj stanja površine tla na površinske vjetrove je dominantan

• Uticaj rotacije zemlje je zanemarljiv

• Od direktnog su interesa za vjetroenergetiku!

Mehanizmi nastanka morskih vjetrova

Mehanizmi nastanka planinskih vjetrova

SNAGA VJETRA

Hronološki pregled razvoja vjetroagregata kompanije Vestas

Trend: • Korišćenje vjetroturbina velikog prečnika (povećanje A)• Instalacija na visokim stubovima (povećanje v)

Zavisnost snage vjetra od pritiska i temperature vazduha

Promjena gustine vazduha sa nadmorskom visinom

VISINSKI PROFIL BRZINE VJETRA

Usled trenja vazdušnih masa i površine tla (boundary layer effect), kao i unutrašnjeg viskoznog trenja u struji vazduha, brzina vjetra raste sa visinom iznad tla. Visinski profil brzine vjetra najviše zavisi od stanja površine tla, odnosno od hrapavosti tla, i stabilnosti atmosfere.

Za praktične proračune u vjetroenergetici koriste se dva poluempirijskamatematička modela pomoću kojih se opisuje visinski profil brzine vjetra i to:

• Logaritamski zakon (logaritam low)• Eksopnencijalni zakon (power low)

LOGARITAMSKI ZAKON

0

* ln)(z

z

k

vzv =

Ovaj zakon proističe iz K-teorije koja je u meteorologiji primjenljiva u uslovima neutralne stabilnosti atmosfere:

v(z) - brzina vjetra na visini z iznad zemlje,k - von Karmanova konstanta. v* - frikciona brzina. z0 - dužina hrapavosti (roughness length).

Praktične jednačine za analizu visinskog profila brzine vjetra:

v1 brzina vjetra na visini z1 iznad zemljev2 brzinu vjetra na visini z2 iznad zemlje

Klasa hrapavosti i dužina hrapavosti za različite terene prema WAsP metodologiji

Tereni različite klase hrapavosti

z0=0,03m z0=0,3m

MODIFIKOVANI LOGARITAMSKI ZAKON

Koristi se za analizu visinskog profila brzine vjetra za veće visine

(do ~300 m) na kojima geostrofski vjetrovi postaju uticajniji:

+=

h

z

z

z

k

vzv 75,5ln)(

0

*

Prethodna relacija je praktično upotrebljiva ako raspolažemo merenjima brzine vjetrav1 na nekoj visini z1. Brzina vjetrav2 na visini z2 se može sračunati prema sledećoj relaciji:

11

0

1

2

0

2

2

75,5ln

75,5ln

v

h

z

z

zh

z

z

z

v

+

+=

EKSPONCIJALNI ZAKON

UTICAJ STABILNOSTI ATMOSFERE

NA VISINSKI PROFIL BRZINE VJETRAMjera stabilnosti atmosfere je visinski gradijent temperature vazduha.

Neutralna atmosferaodgovara adijabatskim uslovima, odnosno uslovima u kojima nema razmjene toplote izmeñu površine zemlje i

vazduha (toplotni fluks je praktično jednak nuli).

Karakteristike atmosfere u pogledu njene stabilnosti

• Neutralna atmosferaodgovara adijabatskim uslovima, odnosno uslovima u kojima nema razmjene toplote izmeñu površine zemlje i vazduha (toplotni fluks je praktično jednak nuli).

• Uslovi za nestabilnu atmosferuse tipično javljaju u toku vedrog dana kada sunce intenzivno zagrijeva površinu zemlje, koja postaje toplija od vazduha u prizemnom sloju.

• Uslovi za stabilnu atmosferu se tipično javljaju noću kada zemlja postaje hladnija od vazduha, pa je transfer toplote suprotan u odnosu na period dana, tj. zemlja hladi prizemne slojeve vazduha.

Uticaj stabilnosti atmosfere na visinski profil brzine vjetra

Tipične dnevne varijacije brzine vjetra na različitim visinama izmerene na lokaciji

Bavanište u Južnom Banatu

Srednje satne vrijednosti koeficijenta smicanja

vjetra (α) na lokaciji Bavnište

Modelovanje visinskog profila brzine vjetra u uslovima stabilne i nestabilne atmosfere

Promjena brzine vjetra u vremenu

U oblasti vjetroenergetike standardni interval usrednjavanja brzine vjetraje 10 min. Svako odstupanje trentune brzine vjetra od srednje vrijednostiu odgovarajućem desetomintnog intervalu predstavlja turbulentnost.

Mjere turbulentnostivjetra

• Intenzitet turbulentnosti opada sa visinom iznad tla. U slučaju homogenog ravnog tla promjena intenziteta turbulentnosti sa visinom se može modelovati relacijom:

• Turbulentnost je po pravilu veća pri slabijim vjetrovima

• Prirodna turbulentnost vjetra se obično kreće u granicama od 8% za morske vjetrove do 14% za kopnene vjetrove u ravničarskim predjelima.

Karakteristike turbulentnosti vjetra( )0ln

1)(

zzzI ≈

( )0ln1

)(zz

zI ≈

Uticaj prepreka na turbulentnost vjetra( )0ln

1)(

zzzI ≈

Turbulentan vjetar izaziva dodatna mehanička naprezanja vjetroturbina, a takoñe smanjuje i stepen iskorišćenja vjetroturbine. Treba imati u vidu da sama vjetroturbina predstavlja prepreku za vjetartako da ona uzrokuje povećanje turbulentnosti vjetra kojim mogu biti

pogoñene vjetroturbine ako se one postave u njenoj blizini.

Smjer vjetra

MJERENJE PARAMETARA VJETRA NA MIKROLOKACIJI

• Izbor lokacije za postavljanje anemometarskog mjernog stuba

• Izbor opreme

• Orjentacija senzora

• Vremenski period trajanja mjerenja

Izbor lokacije za postavljanje anemometarskog mjernog stuba

××

�

Koliko je maksimalno prihvatljivo rastaojanje

izmeñu mjernog stuba i lokacije vjetroturbine?

D=?

Odgovor: Zavisi od kompleksnosti terena

Preporuke za pozicioniranje mjernih stubova*

*Wind Farm Design (couse notes), Garrad Hassan Deutschland GmbH

Izbor opreme za merenje parametara vjetra

Osnovni (obavezni) senzori:

60 m anemometarski stub montiranu Južnom Banatu

Anemometar

Pokazivač smjera vjetra(wind vane)

Termometar

Problemi pri mjerenju brzine vjetra:

- Uticaj sjenke stuba na tačnost mjerenja

- Uticaj sjenke gromobranskog šiljka na tačnost mjerenja

- Uticaj konzola (nosača) anemometara na tačnost mjerenja

- Uticaj sjenke ukrutnih sajli na tačnost mjerenja

- Posolica i drugi atmosferski talozi

-Zaleñivanje opreme

- . . .

Uticaj stuba na tačnost mjerenjabrzine vjetra

Odnos izmerenih brzina vjetra za dva identična anemometrapostavljena na istoj visini sa orjentacijom u suprotnim smerovima

Uticaj stuba na tačnost mjerenja brzine vjetra(IEC 61400-12-1)

Smer vjetra

Smer vjetra

Cjevasti stub

Rešetkasti trougaoni stub

Orjentacija anemomeara u odnosu nadominantni smjer vjetra

Dominantni smjer vjetra

12×d

d

7×D

10×D

Preporuka za montažu opreme (IEC 61400-12-1)

Problem zaleñivanja senzora

IceFree3 Wind VaneIceFree3 Anemometer Sonic Anemometer

Statistička obrada mjernih podataka

Period mjerenja brzine vjetra na nekoj lokaciji u cilju istraživanja vjetroenergetskog potencijala je minimalno jednu godinu.

Za svaki senzor (anemometar, pokazivač smjera vjetra, termometar) u svakom desetominutnom intervalu memorišu se 4 podatka i to:

• srednja desetominutna vrijednost mjerene veličine,• maksimalna vrijednost, • minimalna vrijednost, • standardna devijacija.

Nakon završetka kampanje mjerenja potrebno je mjerne podatke filtrirati, odnosno evidentirati i izbaciti podatke koji nisu validni (npr. zbog zaleñivanja opreme).

Dio zaglavlja i “sirovih” mjernih podatakasa mjernog stuba Bavanište

Srednja desetominutna vrijednost

Standardna devijacija

Maksimalna vrijednost

Minimalna vrijednost

Srednja brzina i gustina snage vjetra

RUŽA VJETROVA

12 segmentna ruža vjetrova za lokacijuBavanistansko polje u južnom Banatu

N

E

S

W Dominantni smjer vjetra 1200(±150)Vjetar iz ovog smjera je duvao 23,8 % vremena ili oko 2100 sati u godini

Diskretni i kontinualni histogram brzina vjetra

Weibullova funkcija

Faktor skaliranjaFaktor oblika

Oblik funkcije raspodele gustine vjerovatnoćebrzine vjetra za različite faktore oblika

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Weibullove statistike

Srednja brzina vjetra:

Srednja gustina snage vjetra:

∫∞

+Γ==0

333 )3

1()()(k

cdVVpVV

)1

1(

)3

1()(

33

3

k

kV

V

m +Γ

+Γ=

3

3

3

)1

1(

)3

1(

21

)(21

mV

k

kVP+Γ

+Γ== ρρ

)(2

1 3VP ρ=

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Rayleigheve statistike

Za k=2 Weibullova funkcija raspodele gustine vjerovatnoće brzine vjetranaziva se Rayleigheva funkcija raspodele vjerovatnoće brzine vjetra

Proračun osnovnih statističkih parametara na osnovu Rayleigheve statistike

Srednja brzina vjetra:

Srednja gustina snage vjetra:

Analiza dugoročnog potencijala vjetra na

ciljnoj lokaciji

Nesigurnosti u procjeni dugoročnog potencijala vjetrau zavisnosti od trajanja mjerenja

Varijacije srednjih godišnjih i desetogodišnjih brzina vjetra za jednu lokaciju u Danskoj

Odreñivanje dugoročne prosječne brzina vjetra na ciljnoj lokaciji pomoću metode minimuma sume kvadrata

Potrebno je prikupiti tri seta podataka i to:

• mjerne podatke o brzini i smjeru vjetra na ciljnoj lokaciji za

odreñeni vremenski period (npr. godinu dana)

• mjerne podatke o brzini i smjeru vjetra u referentnoj mjernoj stanici za isti vremenski period

• istorijske mjerne podatke o brzini i smjeru vjetraza referentnu mjernu stanicu za period od najmanje 10 godina.

21 CVCV ms +=

Korelacija mjernih podataka Humka Nagula – met. stanica Vršac za sektor 6

8763,18768,0 += ms vv

Extremni vjetrovi

Za sertifikovanje vjetroturbina prema IEC 61400 – 1 mjerodavna je maksimalna srednja desetomintna brzina vjetra koja se javlja jednom u 50 god.

Kako procijeniti ekstremnu brzinu vjetra?

• Modeli na bazi Gumbelove statistike

• IEC model:

srgodgod VV ⋅= 550 srgodgod VV ⋅= 550

srgodgod VV ⋅= 550

REGIONALNA KLIMATOLOGIJA VJETRA

Problem: Predikcija proizvodnje vjetroagregata na bazi mjerenja parametara vjetra u udaljenoj mernoj stanici

D=?

Princip sličnosti: Mjerna stanica i mikrolokacija vjetroturbine moraju biti slične u pogledu:

- topografskih elemenata (nagib terena, nadmorska visina, hrapavost terena, ...),

- klimatskih elemenata (regionalne klimatologije vjetra, atmosferske stabilnosti, ...).

Metodlogija za procjenu regionalne klimatologijevjetra i vjetroenergeteskog potencijala na ciljnoj mikrolokaciji

Visinska ekstrapolacija mjernih podataka pomoću metode najmanjih kvadrata

V1, z1

V3, z3

V4, z4

V2, z2

Metoda minimuma sume kvadrata odstupanja:

Vx=?, z Pretpostavimo log visinki profil v(z)

b1=? b2=?

Vx

Mjereni podaciEstimirani mjerni

podaci na zeljenu visinu z

* * * * * *Min. sum. kvadrata

Modelovanje objekta u slučaju da je merna oprema postavljena na krov objekta

Merna stanica u Negotinu Merna stanica u B. Karlovcu

Modelovanje objekta u WAsP-u ako je mjernaoprema postavljena na krov objekta

virtuelni ,,objekat,,nagib 20%

Objekat se ,,zamjenjuje,, brijegomčiji je nagib 20 %. Mjerni stub je na vrhu virtuelnog brijega. Visina stuba odgovara stvarnoj visini dijela iznad krova.

Stvarni objekat sa mjernim stubom

Efekat prepreke visine hs na parametre vjetra

Modelovanje prepreka u WAsP-u

A

AP 0=

Efekat terena na vjetroenergetski potencijal

Efekat terena na vjetroenergetski potencijal

• Efekat brda• Efekat promjene hrapavosti terena

Promjena visinskog profila brzine vjetra pri prelasku

sa jedne na drugu kalasu hrapavosti terena

),max(;1ln 0201'0'

0'0

'0

zzzz

xk

z

z

z

z =⋅=

−

x

z

Identifikacija kontura promene hrapavosti terena

• Baze podatak o hrapavosti terena (makro nivo)

- Corine Land Cover

• Satelitski snimci (mezo nivo)- Google Earth- LANDSAT

• Obilaskom terena (mikro nivo)- generisanje kontura pomoću GPS ureñaja- utvrñivanje klase hrapavosti terena

Identifikacijakonturapromenehrapaovostiterenašireg regiona Deliblatske peščare korišćenjem

LENDSAT satelitskih snimaka

Vektorska WAsP mapa kontura promjene hrapavosti terenaza širi region Deliblatske peščare sa naznačenom poziciom

mjernog stuba i planirane vjetroelektrane

Uticaj šume na visinski profil brzine vetra

Modelovanje šume

Vjetroagregatvisine z u

šumi visine h

Šuma u topografskoj mapi

dobijonoj iz SRTM podataka!

Efekat brda na profil brzine vetra

Uticaj orografije terena na visinski profil brzine vetra

Povećanje brzine vetra

Nagib < 30%

Povećanje brzine vetra Turbulencije

Nagib > 30%

Modelovanje orografije terena• Ručno generisanje izohipsa na osnovu skeniranih mapa

• Generisanje izohipsa koršćenjem SRTM (Shuttle Radar Topgraphy Mission) podataka i softvera: Global Mapper, Surfer, Saga GIS …

•Radarska interferometrijska tehnika

•Pokriveno oko 80 % površine zemlje

•Rezolucija:- 30 m za USA-90 m za ostatak sveta

•Tačnost visinskih kota 5 do 10 m

Snimak ciljnog regiona Bavaništansko polje sa pozicijom mjernog stuba

Vektoraka WAsP topografska mapa regiona Bavaništansko Polje sa naznačenom pozicijom mjernog

stuba i mikrolokacijama planirane vjetroelektrane

WAsP topografska mapa šireg regiona Deli Jovana kao primjer umjereno kompleksnog terena sa naznačenom

pozicijom mjernog stuba.

Mapa srednjih godišnjih brzina vjetra na visini 60 m za širi ciljni region Deliblatske peščare